“声子晶体”混凝土材料的带隙特征与减振设计方法研究

Structure vibration of hydropower house is greatly caused by the vibration recourse of waterpower in a large range of vibration frequency. Study of the resonance checking at some given frequencies and vibration analysis cannot prevent the occurrence of the structure resonance in the case of a large range of frequency vibrations. The research on vibration control has great significant meaning. The study of damping behavior concrete has been paid much attention because of its rigid behavior as well as its damping behavior. However, the damping effect is greatly influenced by the vibration amplitude and frequency. Inspired by the concept of phononic crystals, the periodic arrangement of strengthened additives is proposed to the design of concrete. Due to the interaction between elastic waves and periodic structures, elastic wave/vibration with some frequency range couldn’t go through this "phononic crystal" concrete. These elastic waves in certain frequency range, cannot propagate in this "phononic crystal" concrete, are called band gaps. In this study, a series of study of band gap properties will be performed by both theoretical calculation and experimental research. Finally, the design method for vibration damping of the present "phononic crystal" concrete will be proposed. The "phononic crystal" concrete has strong damping behavior as well as the original properties of concrete material. Vibration control of hydropower house would be realized due to forbidding propagation of some given frequency vibrations.

水电站厂房的结构振动受到较大频率范围的水力振源振动影响，依靠有限数量频率点的共振校核和振动分析研究无法阻止大范围频率振动引起的结构共振，开展振动控制研究意义重大。其中，混凝土材料的自减振研究是被重点关注的强度/振动消除的一体化解决方案，但其减振效果受振动幅度和频率影响很大。受到声子晶体的带隙特征启发，将周期性排列增强掺料引入到混凝土材料设计，由于弹性波与周期结构的相互作用，一定频率范围的弹性波将无法透过“声子晶体”混凝土继续传播。这些“一定频率范围无法传播的弹性波”称为带隙。本课题拟通过理论计算和试验研究对“声子晶体”混凝土的带隙特征进行研究，提出“声子晶体”混凝土材料的减振设计方法。本研究的意义在于：在保持混凝土材料原本性能的前提下，通过增强掺料的周期排列掺入使其具有天然的减振特征，阻止特定频率范围的振动在混凝土材料中的传播，实现水电站厂房的振动控制。

振动广泛存在于土木水利工程中，当外荷载造成的振动频率与结构自振频率接近时，结构会产生共振并造成结构破坏。国际上已正式将振动公害列为七大环境公害之一。以往结构的振动控制方法主要通过增加减振组件消减或控制振动的传播，或者通过结构优化设计调整结构自振频率使其远离可能的外荷载振动频率。现有的振动控制手段一般都要额外布置在主体结构上。. 土木工程的主体结构一般为钢筋混凝土，其具有良好的力学性能和耐久性能，然而通常认为其本身不具备振动控制的效果。尽管科研人员做了尝试，在混凝土中增加增强掺料使其具有一定的阻尼特征，但其减振效果也非常有限。受到“声子晶体”的启发，周期性排列的人工复合材料可以使得一定频率范围的弹性波无法透过并继续传播，我们将“声子晶体”引入到混凝土结构中，这些“一定频率范围无法传播的弹性波”又称为弹性波带隙，简称带隙。. 首先我们提出了一种计算带隙的高效算法。该算法通过一致质量矩阵有限元方法和集中质量矩阵有限元方法的加权平均，实现了稀疏网格状态下的精确求解，从而极大的提高了计算速度，针对特定问题其计算效率提升10倍，并随着处理问题的复杂化效率会进一步提升。其次我们研究了“声子晶体”外形特征及截断特征对带隙特征的影响。研究表明“声子晶体”在正方形/三角形不同截断时具有不同的带隙特征。另外，我们将“声子晶体”扩展到杆件结构上，发现对杆件结构也有明显的振动控制效果。在基金的资助下，我们对混凝土的力学性能和耐久性能等方面也开展了探索研究，其中对于混凝土的三轴力学性能和硫酸盐侵蚀下的耐久性能进行了系统的研究，取得了有益的结果。共计发表SCI论文11篇等研究成果，完成了预定的研究目标。